Vysokorýchlostné neutrína strácajú energiu; Kvantový svet; SciLogs - vedecké blogy
Keď som písal svoj príspevok o tachyónoch, nechal som jeden dôležitý bod bokom. Experiment CNGS nie je jediným údajom o rýchlosti neutrín. Vyšetrovanie supernovy v roku 1987 stanovilo hornú hranicu rýchlosti neutrín, ktorá je zjavne pod hodnotou hlásenou spoluprácou CERN. Neutrína v takejto supernove majú výrazne nižšiu energiu ako údajne rýchlejšia ako svetlo. Ak by sa to dalo experimentálne potvrdiť, potom by neutrína neboli tachyóny, pretože ich rýchlosť rastie so zvyšujúcou sa energiou a neklesá ako pri tachyónoch.
Z existencie neutrín, ktorých rýchlosť presahuje rýchlosť svetla pri vysokých energiách, však vyplýva, že sa nemali dostať k detektoru v Taliansku so svojou plnou energiou. Teoretickí fyzici Andrew Cohen a Sheldon Glashow na to upozornili v publikácii z 29. septembra a Matt Strassler bol natoľko láskavý, že argument vysvetlil podrobnejšie na svojom blogu.
Argumentu sa dá porozumieť, ak si človek položí otázku, prečo sa napríklad mión po chvíli rozpadne na elektrón a neutrino-antineutrínový pár, ale elektrón je stabilný. Elektrónu chýba energia na rozpad. Je najľahší svojho druhu a preto (pre všetkých, čo vieme) existuje neurčito. Neutrína sú tiež stabilné, pretože majú veľmi malú hmotnosť a jednoducho neexistujú žiadne ľahšie častice, ktoré by sa mohli rozpadnúť. Tento argument je pravdivý, ale je iba časťou pravdy. Môžete vyrobiť elektróny tak rýchlo, že z elektrónu v detektore častíc vychádzajú dvojice ťažších elementárnych častíc. Takýto proces vytvárania párov je možný iba v hmote, kde sa môže rozptyl odohrávať na stacionárnych alebo aspoň oveľa pomalších časticiach.
Prehľadná grafika neutrínových rýchlostí nameraných v rôznych experimentoch od Matt Strasslera. K dispozícii sú merania pre vyššiu aj nižšiu neutrínovú energiu, ktoré neindikujú neutrína rýchlejšie ako svetlo. Grafika prevzatá z blogu Matta Strasslera.
Vo vákuu nie je možná tvorba páru jedným rýchlym elektrónom, pretože je potrebné súčasne so zachovaním energie zachovať množstvo pohybu a hybnosť. Nakoniec, generované častice musia byť tiež schopné odletieť a absorbovať tak nielen energiu, ale aj hybnosť z generujúcich častíc. Pretože hybnosť a energia častice spolu súvisia podľa vzorcov uvedených v mojom poslednom článku, hybnosť, ktorú častica stráca pri danom energetickom výdaji, nestačí na vygenerovanie nového páru častíc.
Je ešte ľahšie vidieť, že jediný rýchly elektrón nemôže produkovať ťažké častice, ak sa za základ vezme princíp relativity. Teória relativity hovorí, že všetko, čo sa môže stať v rýchlo sa pohybujúcom referenčnom rámci, sa môže stať aj v pokoji. Pre každý pohybujúci sa elektrón, v ktorom táto častica spočíva, je možné vytvoriť súradnicový systém. V tomto systéme má elektrón svoju normálnu pokojovú energiu a zjavne sa nemôže spontánne rozpadnúť na ťažšie častice. Takže ani pohybujúci sa elektrón nemôže.
Argument o relativite sa rozpadá, keď sa častice môžu stať rýchlejšími ako svetlo, a porušujú tak princíp relativity. Tieto častice majú nevyhnutne inú energetickú a hybnú závislosť od rýchlosti. Koniec koncov, práve tento vzťah bráni tomu, aby sa bežné častice stali rýchlejšími ako svetlo.
Cohen a Glashow poznajú slabú interakciu dosť dobre na to, aby dokázali odhadnúť generáciu párov rýchlejšie ako ľahké neutrína. Vypočítali, že pri rýchlosti nameranej v experimente OPERA sú častice s energiou 140 megaelektronvoltov a viac schopné spontánne vzdať pár elektrónov a pozitrónov a stratiť pri tom tri štvrtiny svojej energie. Vypočítali tiež, ako rýchlo by tento slabý proces viedol k strate energie. Výsledkom je, že takmer všetky neutrína na trase dlhej 730 km medzi generáciou v CERN-e a meraním v masíve Gran Sasso museli stratiť veľkú časť svojej energie. Tam sa však merali vysoké neutrínové energie nezmenšene. Tento experiment teda obsahuje niečo podozrivé.
Musíme teraz meranie zahodiť, pretože teoretici vypočítali, že nemôžu byť správne? Samozrejme, že nie. Úlohou fyziky je vysvetliť pozorované javy, nie odfiltrovať, ktoré pozorovania sú povolené a ktoré nie. Známy fyzik Lee Smolin v komentároch na blogu Matta Strasslera upozorňuje, že argumentácia Cohena a Glashowa zahŕňa predpoklad, že rýchlosť rýchlejšia ako svetlo skutočne porušuje princíp relativity. Dalo by sa predstaviť komplikovanejšiu teóriu, ktorá umožňuje rôzne limitné rýchlosti pre rôzne častice bez porušenia tohto princípu. Na túto teóriu by sa tento argument nevzťahoval.
Výsledok príliš rýchlych neutrín v experimente OPERA preto mätie teoretikov a experimentátorov. Pre mňa to stále vyzerá, že pri experimentálnom určovaní rýchlosti musí byť chyba. Zdá sa, že jednoduché porušenie Einsteinovej relativity je vylúčené tu prezentovaným argumentom. Riešenie je buď veľmi jednoduché (chyba merania), alebo podstatne komplikovanejšie, pretože teória, ktorá by dokázala vysvetliť rýchlosť rýchlejšiu ako svetlo bez straty energie, zatiaľ neexistuje.
Anotácia:
Nájdem ma tiež na Twitteri, Google+ alebo Facebooku.